摘 要：针对我国工业企业电机拖动现状，分析了国内外高压变频装置的技术特点，提出了国产高压变频装置的应用前景，改变高压大功率风机、泵类变频调速方式，给社会和企业带来长远效益。
关键词：高压变频装置、应用、节能
Abstract: contrapose to the status quo for motor drag of China‘s industrial enterprises, analysis the technical characteristics of high-voltage variable frequency devices in domestic and foreign, put forward a foreground of domestic high-voltage frequency converter applications, change way of speed tuning in high-voltage high-power fans, pumps VVVF, to bring long-term social and business effectiveness.
Key Words: High-voltage frequency converter Apply Energy Saving
1.前言
目前，全世界正在为能源紧缺而困扰，我国的能源形势尤其严峻，随着中国经济的快速发展，能源成为制约经济增长的瓶颈，节能降耗也就成为国家和企业严重关切的问题。在企业电力系统中，电机传动约消耗70%电力，改变电机拖动方式无疑是潜力最大的节电措施。高压变频调速系统以高可靠性、易操作、高性能为设计目的，通过对拖动风机、水泵、空气压缩机等高压大功率电机变频调速的方式来实现节能，具有效率高、精度高、调速范围宽、软启动等优点，不仅具有显著的节能效果和调速性能，而且可以改善工厂的工艺和自动化水平，已引起各部门和各企业的高度关注。
2.高压变频节能原理
企业生产过程中，流量（风量）调节一般由风门调节、液力耦合器调节和变频调节三种方式。液力耦合器有5-8%的速度损失，且存在速度控制不稳定、功率因数低、调速精度差、维护量大、二次成本高等缺陷，而变频调速优势明显。针对风机、泵类等负载，变频调节其流量和功率可用下式表示：
Q1和Q2—流量（风量）， p1和p2—所需功率， n1—额定转速，n2—实际转速，E—理论节电量，P—额定转速时电机功率，T—工作时间
可见，输出流量Q与转速n成正比，而输出轴功率P与 n3 成正比。当风机风量需要改变时，如调节风门的开度，则会使大量电能白白消耗在阀门及管路系统阻力上，而采用变频调速调节流量，可使轴功率随流量的减少大幅度下降。尤其在流量频繁调节、转速变化大的工况，节电效果相当明显。
3.进口高压变频装置的技术特点
因3kV、6kV、10kV电压均属中压范围，国际上通称该电压等级的变频器为中压变频器，但在国内该电压等级的电机习惯上称为高压电机，与之相配的变频器也就叫高压变频器。
以ABB公司开发的ACS5000变频器为例，其采用多电平无熔断器电压源型逆变器（VSI-MF）拓扑结构，适用于驱动6.0～6.9KV的电机。一般来说，当今最先进的高压变频器产品基于以下两种基本的逆变器拓扑结构：一种为电压源型逆变器（VSI），其使用直流回路电容器并提供开关电压波形;另一种为电流源型逆变器（CSI），其使用直流回路电抗器并提供开关电流波形。中压变频器的开发经过20多年的发展， VSI已成为市场上首选的拓扑结构。其主要优势为：
3.1无需外加输入或输出滤波器。VSI通过简单的二极管提供了非常可靠、效率很高的整流器拓扑结构，二极管桥具有高功率因数（一般大于0.95），而CSI拓扑结构使用晶闸管整流器或带有自换流部件的有源整流器单元，晶闸管整流器在电源端的功率因数很差，一般都需求额外的补偿设备。
3.2采用IGCT和DTC相结合技术。IGCT（集成门极换流晶闸管）半导体是一种低损耗的快速功率开关，综合了IGBT/IEGT传统半导体技术优点，与使用IGBT的中压变频器相比，复杂程度降低，元件数量少、变频器更加高效可靠。DTC（直接转矩控制）带来了最高的转矩与速度控制性能以及最低的损耗，在中压变频器中首屈一指。
3.3逆变器的核心采用电子模块（PEBB）。使用单个多功率设备取代复杂的功率电子电路，实现了部件数量降低且紧凑的机械安排。在相同功率等级下，与其它可用的解决方案相比，整个系统的体积减少了50%。
4.国产高压变频装置的发展现状和技术特点
近年来，国产高压变频器取得了突飞猛进的发展，以利德华福、东方日立、智光电气为代表的企业，生产的高压变频器可靠性高、性能优越、操作简便，受到广大用户的信赖。目前，以矢量控制技术代表高压变频器最高端技术，大大提高了变频器的控制性能。矢量控制在国外多称为磁场定向控制（Field Orientation Control），其核心思想是，以电机磁场为坐标轴基准方向，通过坐标变换的方法，实现对电机转矩和磁通的解耦控制。国产高压变频器的电压等级为3KV、6KV和10KV，功率最高可达7500KW，国外产品也很少有类似大功率的业绩，尤其在2000KW以上国产品牌与跨国公司展开竞争是有优势的。国产高压变频器的原理与进口产品略有不同。
4.1主流高压变频装置的基本原理
国产高压变频器采用交-直-交直接高压（高-高）方式，主电路开关元件为IGBT。由于IGBT耐压所限，无法直接逆变输出6kV、10kV，又因开关频率高、均压难度大等技术难题无法完成直接串联。因此，国产高压变频器采用功率单元串联叠波技术、空间矢量控制的正弦波PWM调制方法。如图1所示。
图1 高压变频器6KV系列主电路图
隔离变压器（主变压器）采用干式结构，强迫风冷。变压器原边为Y型接法，直接与高压相连。副边绕组数量依变频器电压等级及结构而定，一般3kV系列为9个，6kV系列为15（18）个，10kV系列为27个，延边三角形接法，为每个功率单元提供三相电源输入。
由于为功率单元提供电源的变压器副边绕组间有一定的相位差，从而消除了大部分由单个功率单元所引起的谐波电流，所以变频器输入电流的总谐波含量（THD）远小于国家标准5%的要求，并且能保持接近1的输入功率因数。
变频器输出是将多个三相输入、单相输出的低压功率单元的输出串联叠波得到。如额定输出690VAC功率单元五个串联时产生3450V相电压，三相输出Y接，中性点悬浮，得到驱动电机所需的可变频三相高压电源。如图2所示。
图2 6kV电压叠加图
国产变频装置一般由旁路柜、变频器由变压器柜、功率逆变及控制柜组成，旁路柜实现变频检修时电机直接投切至工频电网，有自动旁路和手动旁路两种模式。功率单元主要由三相桥式整流桥、滤波电容器、IGBT逆变桥构成，同时还包括由功率器件驱动、保护、信号采集、光纤通讯等功能组成的控制电路。通过控制IGBT的工作状态，输出PWM电压波形。每个功率单元在结构及电气性能上完全一致，可以互换。
4.2国产高压变频器采用的技术和特点：
l 主回路一般采用SCP技术，实现抗输出短路;
l 采用STT技术（Speed Tracing Technology），对雷电干扰造成装置保护停机后，干扰消失装置能够自动重启;高压掉电，故障恢复后能够自动重启;
l 采用智能化控制，专用双DSP控制技术，摒弃工控机系统;
l 安装灵活，形式多样，可户外和户内安装。
5.高压变频装置运行不可靠性来源分析
5.1内部因素：
l 高压输入、输出回路可能发生的故障，如绝缘距离问题，刀闸接触电阻等;
l 变压器本体过热以及各种原因导致的损坏;
l 功率单元箱内功率元器件失效、单元过热;
l 功率单元箱内布线、连接、控制板出现故障;
l 装置内二次配线、元器件的可靠性，如电压/电流传感器，电源保险、继电器回路、二次控制回路可靠等;
l 装置对偶发性故障（非破坏性故障）的容错能力;
l 控制软件的设计水平。
5.2外部因素：
l 雷电过电压、操作过电压对变压器绕组、功率半导体器件（电压敏感性元件）造成破坏性故障或停机;
l 雷电干扰导致装置正常运行过程中跳机;
l 电网电压波动、闪变导致装置功率单元直流母线过压或欠压，装置告警或保护停机;
l 变频输出高压连接电缆本体、附件、电机定子出现故障导致装置保护停机;
l 运行与维护不及时导致的温升过高问题，告警或保护停机;
l 接地电阻过大或接地不良，导致干扰停机;
为解决上述问题，对变频器生产厂家提出了更高的要求，必须按标准设计，不断提升制造水平，加强产品的出厂试验和现场调试保证工作，同时提升产品的软件设计水平，充分考虑各种可能工况设计应对措施。用户在选择高压变频装置时应充分考虑到各种不利因素，避免发生故障停机。
6、选择高压变频装置时应注意的问题
6.1选择高压变频装置时，充分考虑变频装置的散热，同时要求低温时也能正常启动，一般运行环境温度为-15°C～45°C，最大湿度不超过95%。
6.2为保证变频器具有良好的运行环境，需专门为高压变频器配套冷却系统。综合冷却系统的投资和运营成本、设备维护量、无故障运行时间，空-水冷却系统是一种利用高效、环保、节能的冷却系统。该系统由于其采用完全机械结构设计，较空调等电力、电子设备而言具有明显的安全、可靠性。空-水冷却系统的运营成本是同等热交换功率空调冷却方式的1/4～1/5。冷却电耗指标远远低于空调冷却，避免了能源节约的二次浪费。
6.3选择高压变频装置时要明确负载特性：明确负载属于单象线还是四象线运行;明确电机升降速时间、最大转矩，确定变频器容量;明确电机、电网电压等级和波动范围，确定变频器进出线电压等级，变频器隔离变压器分接头电压参数等。
6.4变频装置具备Modbus、TCP/IP、PROFIBUS、DeviceNet等总线通讯接口，可进行远程监视、控制。
6.5在20-100%的带载调速范围内，变频系统的不加任何功率因数补偿的情况下输入端功率因数能达到0.95以上。
6.6变频装置输出波形不会引起电机的谐振，转矩脉动小于0.1%，变频器可设置多个共振频率段并自动跳过共振点。
6.7能适应频繁升降速调速要求,可以针对现场工艺要求实现分段调节（PID调节+前馈调节），实现分段平滑调速。
6.8对通讯抗干扰提出特殊要求，在设计电路时严格实行强弱电不共地原则。变频器柜内强电信号和弱电信号分开布置,以避免干扰。
6.9变频装置对电网电压的波动有较强的适应能力，在-35%～+15%电网电压波动时能满载输出。
6.10选择高压变频装置时，变压器、风机、IGBT等关键元器件一定要知名品牌，以保证设备的性能稳定。
6.11选择室外型高压变频器时防护等级为IP54以上。
6.12综合考虑产品价格、备件供应、售后服务。
7.高压变频装置的推广应用
高压变频装置能否稳定可靠地运行，攸关用户的节能效果和各种生产过程能否正常高效地运行。通过对高压变频用户的综合考察，近年来国产高压变频的业绩不凡，由于其产品的性价比高、良好的售后服务和灵活的付款方式，受到用户的一致好评。针对工况变化频繁，流量和压力需经常变化的工艺，以及其他需要调速的工况进行技术改造，是相当必要的，克服大马拉小车（阀门开度较小的工况）现象，会起到明显的节电效果。尤其是新上工程项目，从方案论证、设计、施工等环节着手，采用高压变频调速技术会达到预期的节能目的。
高压变频装置的适用范围非常广泛，在冶金、发电、石化、水泥、造纸、制药、市政供水、污水处理等行业，各种引风机、送风机、吸尘风机、凝结泵、排污泵、锅炉给水泵、循环水泵等需调速大功率的电机，根据工艺要求均可实现高压变频调节。
某钢厂转炉除尘风机1600KW/10KV采用高压变频器，由于转炉周期性间断吹氧，为满足节能和环保要求，风机在整个炼钢工作周期内采用高压变频器进行调速变速运行，吹氧时高速运行，不吹氧时低速运行，节能35%以上，大大的降低了吨钢电耗。电机实行了真正的软启动、软停运，变频器提供给电机的无谐波干扰的正弦波电流，降低了电机的故障次数。变频器自身保护功能完善，大大加强了对电机的保护。
某水泥厂高温风机2500KW/6KV原采用液力耦合器调速，改造为高压变频调速，改造后电机功率由2221 KW降为1777 KW，基本上一年可收回投资。
8.高压变频装置的应用效益
由于能源紧张及生产工艺等各方面的要求，高压变频已成为大型生产企业节能工作的必由之路。国产高压变频器由于更适合中国市场及用户特点，已被越来越多的人所认识、所接受、所欢迎。高压变频装置的应用，不仅节能，而且可提高风机、水泵的运行效率、减少挡板、阀门的维护量、减少无功，可实现电机的软启动。
据统计，占工业用电70%的各种风机、泵类负载，全国约4700万台，总功率约1.3亿千瓦，此类负载工况变化较大，如采用变频技术实现变速运行节能效果明显。以平均节电20%计算，对全国来说，年节电500亿度，同时，可相应减少2000万吨发电用煤、50万吨SO2 和1200万吨CO2 的排放。高压变频装置由于操作简单、安全可靠、维护方便，并在节能、节电、省人、省力、自动控制、远程监控等方面效果显著。
9.结束语
我国能源剩余开采量不及世界平均水平的1/10,而且能源需求急剧增长，我国单位产值能耗是日本的11.5 倍，是法国和德国的7.7倍，是美国的4倍，可见我国生产效率非常低，环境保护形势严峻。变频调速节能技术被列入国家《十一五十大重点节能工程实施方案》。
通过对风机、水泵、压缩机等通用机械系统节能改造，推广应用变频调速节能技术，提高运行效率，是电机系统节能工程的重要工作。
参考文献：
（1）高压变频技术 机械工业出版社
（2）变频通讯，北京利德华福，北京昌平区
（3）ABB中压交流变频器，ABB电气传动公司